Universidade de Coimbra Mestrado Integrado em Engenharia Química

COMPRESSORES DE AR

INDUSTRIAIS

Integração e Intensificação de Processos Diogo Lucas

Orientador: Professor Doutor Nuno Oliveira

Diogo Alexandre Lima Lucas Fevereiro de 2020 0

Compressores de Ar Industriais

1. Caraterização e funcionamento

O ar comprimido é frequentemente utilizado na indústria (ver Anexo A), sendo considerado uma “quarta utilidade”, a par da água, gás e eletricidade [1]. Atualmente, uma grande parte das instalações industriais, tem sistemas de ar comprimido, cujo papel é de tal forma vital que as instalações não podem operar sem este recurso. Um típico sistema industrial de ar comprimido é constituído por vários subsistemas importantes, sendo um dos principais o Compressor de Ar [2].

Os Compressores de Ar podem ser definidos como equipamentos ou dispositivos mecânicos que comprimem / compactam o ar atmosférico, exercendo uma forte pressão sobre o fluido, de modo a que este ocupe o menos espaço possível, mas acumulando mais energia [3].

Matematicamente é possível resumir o funcionamento de um Compressor de Ar, através da relação existente entre pressão ( ), volume ( ) e temperatura ( ) [1]:

~ <=> . ~ (1)

Assim, à medida que o diminui, a e a aumentam. Portanto, a atuação do Compressor de Ar traduz-se em absorver o ar atmosférico e diminuir o seu , o que resulta num aumento da e da . Essa tem utilização imediata ou é armazenada em Tanques para uso futuro.

Quanto à sua constituição, os Compressores de Ar têm três componentes básicos (Figura 1) [4] [5]:

• Drive - gera energia para que os outros componentes do dispositivo possam operar. Pode ser um motor a gás ou elétrico. Este último requer eletricidade para funcionar, geralmente uma tomada elétrica. No caso de compressores mais portáteis, as baterias podem fornecer eletricidade ao motor;
• Bomba - considerada como o “coração e a alma” do compressor. De certa forma, é o próprio compressor que, ao usar a energia da Drive, extrai o ar atmosférico e comprime-o. Esse ar comprimido será posteriormente enviado, através de um tubo de descarga, para um Tanque de armazenamento;
• Tanque de armazenamento - local de armazenamento do ar comprimido. O ar comprimido permanece sempre no Tanque até ser necessário o seu uso. De referir que, o Tanque é equipado com uma válvula de retenção que impede o ar comprimido de aplicar contrapressão na Bomba.

Figura 1- Esquema dos componentes básicos de um Compressor de Ar da Campbell Hausfeld [5]: 1) Drive; 2) Bomba;

\3) Tanque de armazenamento.

2. Classificação

Os Compressores de Ar podem ser classificados de acordo com a pressão por estes fornecida, tal como é exibido na Tabela 1, sendo assim organizados em compressores de baixa, média e alta pressão [6].

Tabela 1- Compressores de Ar classificados de acordo com a pressão fornecida [6].

Outra possibilidade de classificação dos Compressores de Ar é baseada no design e operação, havendo assim duas famílias distintas de tipos de compressores: Deslocamento-Positivo e Dinâmicos. A seguir, encontra-se ilustrada na Figura 2, a “árvore” de família dos compressores, para uma melhor interpretação desta forma de classificação, antes de se proceder à explicação detalhada de cada tipo [2].

Figura 2- "Árvore" de família dos compressores (adaptada de US Department of Energy, 2003) [2].

Nos Compressores de Deslocamento-Positivo, a compressão do ar dá-se pela redução física do volume de uma massa constante de ar [7]. Estes compressores subdividem-se, ainda, em dois tipos: Alternativos e Rotativos. Os Compressores Alternativos estão disponíveis em tamanhos cuja potência pode variar entre 1hp (ou mesmo inferior) e 600hp (ou superior) [2], consistindo num ou mais pistões (mecanicamente ligados a uma cambota que, por sua vez, está adaptada a um motor elétrico ou motor de combustão interna) que se movem no interior de um ou mais cilindros. A potência consumida, no processo de compressão, pode ser consideravelmente reduzida, se a compressão do ar for executada em dois (Figura 3) ou mais estágios, com refrigeração do ar entre estágios (intercooler), melhorando o desempenho. O intercooler, presente nas Figuras 3 e 4, consiste num permutador de calor projetado para reduzir a temperatura do ar comprimido proveniente do primeiro estágio [7].

Figura 3- Compressor Alternativo a dois estágios [7]. Figura 4- Intercooler para Compressores Alternativos [8]. De referir que, os Compressores Alternativos também se subdividem em dois tipos, tendo como fator distintivo a forma de atuação dos cilindros: Ação-Simples, existindo apenas uma sucção e uma compressão por ciclo para cada cilindro, e Dupla-Ação (Figura 5), em que a compressão do ar tem lugar em ambos os lados do pistão, implicando o dobro da compressão por revolução [7].

Figura 5- Compressor Alternativo de Dupla-Ação [7].

Quanto aos Compressores Rotativos,** cuja popularidade é elevada na indústria americana, estão disponíveis numa gama de tamanhos que varia entre os 30 e 200hp [2]. Nestes compressores, a redução de volume não é alcançada por pistões, mas pelo movimento rotativo de um conjunto de peças móveis. Têm a vantagem de fornecer um fluxo de ar praticamente contínuo, sem grandes componentes de alta frequência, e a trepidação associada é muito menor, dada a forma como são concebidos [7].

O tipo mais conhecido dos Compressores Rotativos designa-se por Parafusos-Helicoidal (ou simplesmente, de Parafusos-Rotativo), representado na Figura 6, sendo caraterizados por ter um baixo custo inicial, um tamanho compacto e um baixo peso associado [2]. São concebidos a partir de dois parafusos, um com contorno convexo e outro côncavo. O ar é aprisionado numa cavidade entre espirais adjacentes e obrigado a comprimir por redução do volume [7].

Figura 6- Compressor Rotativo de Parafusos-Helicoidal [9].

Outros tipos de Compressores Rotativos, menos usuais na indústria, podem ser os de Anel-Líquido, de *Scroll* e de Palhetas-Deslizantes (sujeitos a constante injeção de lubrificante para redução de atrito e colmatação de fugas) [2] [7].

Nos Compressores Dinâmicos, o fenómeno de compressão é devido à transmissão de energia cinética para o ar, acelerando-o [7]. Ao contrário dos Compressores de Deslocamento-Positivo, que trabalham com fluxo constante, os Compressores Dinâmicos trabalham com pressão constante e o desempenho é afetado por condições externas, como mudanças nas temperaturas de entrada [10]. Estes compressores subdividem-se em dois tipos: Centrífugos (ou Radiais) e Axiais (Figura 7). Os Compressores Centrífugos (ou Radiais) são os mais comumente utilizados, sendo bastante mais fáceis de projetar e tendo o ar um escoamento à saída perpendicular ao eixo. São adequados a situações em que é necessário comprimir uma grande quantidade de ar a alta pressão. Nos Compressores Axiais, o escoamento do ar é paralelo ao eixo e são adequados para grandes caudais e pressões de descarga até 30bar [11].

Figura 7- Compressor Dinâmico Centrífugo (esquerda) e Axial (direita) [12].

3. Custos do ciclo de vida

Os custos do ciclo de vida dos Compressores de Ar são organizados em três vertentes: Capital Expenditure (CAPEX) ou Custos de Investimento, Custos de Manutenção e Custos de Energia. Destes custos enunciados, aquele que tem maior relevância no ciclo de vida de um Compressor de Ar prende-se com o consumo de energia, sendo seguido da manutenção do compressor e, por último, do investimento inicial executado [13].

Como o objetivo de todas as instalações industriais é fornecer o maior volume de ar, usando a menor quantidade de energia possível, é importante perceber quais são as necessidades específicas de capacidade de ar e como é efetuada a sua gestão. Existem, assim, cinco elementos-chave que permitem determinar os Custos de Energia de um compressor [13]:

• Potência nominal (classificação da potência do motor que alimenta o compressor de ar);
• Eficiência do motor (eficiência operacional do motor);
• Fator de serviço (valor acima da potência nominal que um motor pode atingir, sem se danificar);
• Horário de funcionamento (número de horas de operação do Compressor de Ar, anualmente);
• Taxa de energia (custo de energia atualizado do fornecedor).

Deste modo, o cálculo do Custo Energia anual do Compressor de Ar obtém-se a partir da equação [13]:

ê × ç × á ×

= (2)

ê

No que respeita aos Custos de Manutenção, é necessário compreender que todos os equipamentos requerem sempre atividades de manutenção e substituição de artigos para se assegurar a sua operacionalidade com eficiência. É o que sucede com todos os Compressores de Ar que requerem, obrigatoriamente, produtos consumíveis para substituição, de modo regular, tais como filtros, separadores e óleos, no âmbito da sua manutenção [13].

Embora possa ser um processo complexo analisar todo o custo do ciclo de vida de um Compressor de Ar, todavia torna-se essencial para uma melhor compreensão do seu custo-benefício [13]. Deste modo, a tomada de decisão para a escolha de um compressor tem de ter em consideração o custo do seu ciclo de vida, englobando os Custos de Investimento associados à sua aquisição, aos Custos de Energia e aos Custos de Manutenção.

4. Referências Bibliográficas
5. – Air Compressor Works, Inc (2017). Compressed Air Basic Part1: The Fourth Utility. Acedido a 19 de Fevereiro de 2020, em: https://aircompressorworks.com/compressed-air-basics-part-1-the-fourth-utility/
6. – US Department of Energy (2003). Improving Compressed Air System Performance. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech%5C_assistance/pdfs/compressed%5C_air%5C_sourcebook.pdf
7. – Informativos Industriais (2019). Detalhes dos compressores de ar e seus componentes. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: http://www.exotech.com.br/detalhes-dos-compressores-de-ar-e-seus-componentes/
8. – Carbibles (2019). How Does an Air Compressor Work?. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www.carbibles.com/how-air-compressors-work/
9. – Campbell Hausfeld (2020). How Does an Air Compressor Work. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: https://www.campbellhausfeld.com/how-does-an-air-compressor-work-campbell-hausfeld.html
10. – United States Naval Education and Training (2004). Machinist’s Mate 3 & 2. Acedido a 20 de Fevereiro de 2020, em: http://militarynewbie.com/wp-content/uploads/2013/11/NAVEDTRA-14151-Machinists-Mate- 3-2-Surface.pdf
11. – Coelho (2005). Pneumática e Automatismos - Princípios e Conceitos Fundamentais. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: http://www.ipb.pt/~jpcoelho/CET/pneum.pdf
12. – IndiaMART, TDK Die Castings (2020). Compressor Intercooler [Figura]. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: https://www.indiamart.com/tdkdiecastings/compressor-inter-cooler.html
13. – Gfycat (2017). Curso Compressor Parafuso - ar comprimido GIF [Figura]. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://gfycat.com/everlastingheavyblackpanther
14. – The Compressed Air Blog (2015). How it Works: Centrifugal Compressors. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://www.thecompressedairblog.com/how-it-works-centrifugal-compressors
15. – Fundação Saúde Governo do Estado do Rio de Janeiro (2016). Anexo I do TR. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: http://www.fundacaosaude.rj.gov.br/fidelidade/wp- content/uploads/2017/12/ANEXOSDOTR.pdf
16. – AerMech (2015). Centrifugal Compressors vs Axial Compressors [Figura]. Acedido a 21 de Fevereiro de 2020, em: https://aermech.com/centrifugal-compressors-vs-axial-compressorsworking- principleengineering-explained/
17. – FS-Elliott Co., LLC (2016). The Hidden Costs of Air Compressor Operation. Acedido a 22 de Fevereiro de 2020, em: https://www.energymanagertoday.com/wp-content/uploads/2017/06/The-Hidden-Costs-of-Air- Compressor-Operation-White-Paper.pdf
18. Anexo A – Utilização do Ar Comprimido na Indústria

Tabela 2- Sectores Industriais que utilizam Ar Comprimido [2].

Industry Example Compressed Air Uses

Apparel Conveying, clamping, tool powering, controls and actuators, automated equipment Automotive Tool powering, stamping, control and actuators, forming, conveying

Chemicals Conveying, controls and actuators

Food Dehydration, bottling, controls and actuators, conveying, spraying coatings,

cleaning, vacuum packing

Furniture Air piston powering, tool powering, clamping, spraying, controls and actuators General Manufacturing Clamping, stamping, tool powering and cleaning, control and actuators

Lumber and Wood Sawing, hoisting, clamping, pressure treatment, controls and actuators

Metals Fabrication Assembly station powering, tool powering, controls and actuators, injection

molding, spraying

Petroleum Process gas compressing, controls and actuators

Primary Metals Vacuum melting, controls and actuators, hoisting

Pulp and Paper Conveying, controls and actuators

Rubber and Plastics Tool powering, clamping, controls and actuators, forming, mold press powering,

injection molding

Stone, Clay and Glass Conveying, blending, mixing, controls and actuators, glass blowing and molding,

cooling

Textiles Agitating liquids, clamping, conveying, automated equipment, controls and

actuators, loom jet weaving, spinning, texturizing Diogo Alexandre Lima Lucas 7